[论文解读] Flexible Dual-Connectivity Spectrum Aggregation for Decoupled Uplink and Downlink Access in 5G Heterogeneous Systems

María A. Lema, Enric Pardo+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 27被引用 50

一句话总结

本文提出了一种适用于5G异构网络的灵活双连接频谱聚合方案，通过允许用户根据最大接收信号功率，为上行链路（UL）和下行链路（DL）分别关联不同的小区，实现上行与下行的解耦接入。利用随机几何方法，作者推导了关联区域，并表明该方法相比传统的基于下行链路的小区关联，在上行链路容量和频谱效率方面有显著提升，尤其在小区边缘场景下表现更优。

ABSTRACT

Maintaining multiple wireless connections is a promising solution to boost capacity in fifth-generation (5G) networks, where user equipment is able to consume radio resources of several serving cells simultaneously and potentially aggregate bandwidth across all of them. The emerging dual connectivity paradigm can be regarded as an attractive access mechanism in dense heterogeneous 5G networks, where bandwidth sharing and cooperative techniques are evolving to meet the increased capacity requirements. Dual connectivity in the uplink remained highly controversial, since the user device has a limited power budget to share between two different access points, especially when located close to the cell edge. On the other hand, in an attempt to enhance the uplink communications performance, the concept of uplink and downlink decoupling has recently been introduced. Leveraging these latest developments, our work significantly advances prior art by proposing and investigating the concept of flexible cell association in dual connectivity scenarios, where users are able to aggregate resources from more than one serving cell. In this setup, the preferred association policies for the uplink may differ from those for the downlink, thereby allowing for a truly decoupled access. With the use of stochastic geometry, the dual connectivity association regions for decoupled access are derived and the resultant performance is evaluated in terms of capacity gains over the conventional downlink received power access policies.

研究动机与目标

• 为解决由于用户设备（UE）功率限制导致的密集5G异构网络上行链路容量受限问题。
• 克服仅依赖下行链路接收信号功率进行上行和下行链路连接的传统小区关联方案性能不佳的问题。
• 通过允许UE为上行和下行传输选择不同的服务小区，实现灵活的、解耦的上行与下行小区关联。
• 利用随机几何建模，评估该灵活双连接方法在频谱效率和系统容量方面的性能增益。
• 证明基于每链路最大接收信号功率的关联规则能显著提升上行链路性能和公平性，尤其在小区边缘区域。

提出的方法

• 作者使用泊松点过程对宏小区（MCells）和小小区（SCells）的空间分布进行建模，以表示5G异构网络。
• 基于UE到最近的MCell和两个SCells之间的相对距离，推导出五种不同情形下的关联区域和概率，考虑路径损耗和功率偏置因子。
• 采用随机几何方法计算在不同关联规则下，到服务小区距离的累积分布函数（CDF）和概率密度函数（PDF）。
• 通过推导在所提出的解耦关联策略下，下行链路和上行链路频谱效率的闭式表达式，评估系统性能。
• 分析中考虑回传链路约束和功率限制，尤其关注双连接场景下上行链路传输效率。
• 所提方法可独立选择上行和下行的服务小区，通过灵活的资源聚合实现频谱效率最大化。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于每链路最大接收信号功率的解耦上行与下行小区关联，在5G异构网络中如何提升频谱效率？
• RQ2 在灵活双连接下，用户设备连接多个小区时，其解析关联区域和概率是什么？
• RQ3 与传统的基于下行链路的小区关联相比，所提方案在上行链路容量和公平性方面提升程度如何？
• RQ4 路径损耗指数和功率偏置因子如何影响双连接场景下解耦上行/下行接入的性能？
• RQ5 用户设备位置（尤其是小区边缘）对所提灵活关联策略性能增益的影响如何？

主要发现

• 所提出的灵活双连接方案在上行链路容量方面显著优于传统的基于下行链路的小区关联，尤其对小区边缘用户提升明显。
• 分别对上行和下行链路采用基于每链路最大接收信号功率的关联策略，可提升频谱效率，并改善小区半径范围内的公平性。
• 随机几何分析表明，解耦接入通过允许UE连接到上行链路更强的服务小区（即使其并非下行链路最佳），有效减少了上行链路功率效率低下问题。
• 在不同关联情形下，对服务小区距离的CDF和PDF表达式已推导得出，可实现对所提方案性能的精确评估。
• 数值结果表明，当上行链路功率受限严重时，灵活关联策略在系统容量方面优于传统方案。
• 在高密度小小区部署场景下，性能增益最为显著，此时上行链路干扰和路径损耗是主要限制因素。